Introduzione al mondo della cellula
I microscopi ci permettono di esplorare l’interno delle
cellule
Il microscopio ottico (LM, dall’inglese Light Microscope) permette di vedere forma e struttura di una cellula.
Oculare
Lenti dell’oculare
Lenti dell’obiettivo Campione
Lenti del condensatore
I microscopi ottici ingrandiscono le cellule (vive e
conservate) fino a 1000 volte le loro dimensioni reali.
L M 1 0 0 0
Il microscopio elettronico ha un potere di risoluzione molto più elevato (è in grado d’ingrandire un’immagine anche 100 000 volte) e rivela i dettagli cellulari.
S E M 2 0 00 T E M 2 80 0
– Immagine prodotta con il microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope).
– Immagine prodotta con il microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission Electron
Tipi diversi di microscopi ottici usano tecniche diverse per aumentare il contrasto ed evidenziare in modo
selettivo le varie componenti cellulari.
2 20 1 00 0
Figura 4.1E – Immagine ottenuta con un microscopio
ottico a contrasto di fase.
Figura 4.1F – Immagine ottenuta con
un microscopio confocale a fluorescenza.
Le dimensioni delle cellule variano a seconda delle
loro funzioni
Le cellule variano per dimensione e
forma.
• Le dimensioni cellulari sono limitate dalla necessità di avere un’area superficiale abbastanza estesa da permettere scambi efficaci con l’ambiente esterno, come l’assunzione delle sostanze nutritive e
l’eliminazione delle sostanze di rifiuto.
• Le dimensioni microscopiche della maggior parte
Una cellula piccola ha un rapporto superficie/volume maggiore di una cellula grande della stessa forma.
30 m 10 m 30 m 10 m Area superficiale di un grosso cubo 5,400 m2 Area superficiale complessiva di piccoli cubi 16,200 m2
Le cellule procariotiche hanno una struttura più
semplice delle cellule eucariotiche
Esistono due tipi di cellule:
• procariotiche
• eucariotiche Cellula procariotica
Nucleoide
Nucleo
Cellula eucariotica Organuli
C ol or iz za ta T E M 1 5 0 00
• Le cellule procariotiche (presenti negli eubatteri e negli archebatteri) sono cellule
piccole, relativamente semplici, che non hanno un nucleo circondato da una membrana.
• Il loro DNA è situato in una regione detta
nucleoide. Flagelli batterici Ribosomi Capsula Parete cellulare Membrana cellulare Nucleoide (DNA) Pili
Le cellule eucariotiche sono suddivise in
compartimenti che svolgono funzioni diverse
• Le cellule eucariotiche sono contraddistinte dalla
presenza di un vero e proprio nucleo.
• Nelle cellule eucariotiche esiste un sistema di
membrane interne che suddivide il citoplasma in
zone diverse con funzioni differenti, facilitando l’insieme delle attività chimiche indicate come
Una cellula animale contiene una varietà di organuli circondati da membrane. Nucleo Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico ruvido Ribosomi Apparato di Golgi Membrana plasmatica Mitocondrio Flagello Assenti nella maggior parte delle cellule vegetali Lisosoma Centriolo Microtubulo Citoscheletro Filamento intermedio
Microfilamento Perossisoma
Una cellula vegetale ha alcune strutture che sono assenti in a una cellula animale, come i cloroplasti e una parete cellulare rigida. Vacuolo centrale Assenti nelle cellule animali Cloroplasto Parete cellulare Apparato di Golgi Nucleo Microtubulo Citoscheletro Filamento intermedio Microfilamento Ribosomi Reticolo endoplasmatico liscio Mitocondrio Perossisoma Reticolo endoplasmatico ruvido Membrana plasmatica
La membrana plasmatica e gli organuli circondati da membrane
La membrana plasmatica è costituita principalmente
da fosfolipidi e proteine organizzati in un modello a
mosaico fluido
• I fosfolipidi sono i principali
componenti strutturali delle membrane.
• Queste molecole hanno
una «testa» idrofilica e due «code» idrofobiche. CH2 CH2 Gruppo fosfato CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 N + O O P O– O CH2 CH CH2 C O C O O O Schema di un fosfolipide Code idrofobiche Testa idrofilica
I fosfolipidi formano una struttura stabile a due strati chiamata doppio strato fosfolipidico in cui le teste idrofiliche sono a contatto con l’acqua, mentre le code idrofobiche si orientano verso l’interno, allontanandosi dall’acqua. Acqua Acqua Teste idrofiliche Code idrofobiche
• La membrana plasmatica viene descritta come un
mosaico fluido.
• La sua struttura è, infatti, fluida, perchè la maggior
parte delle molecole proteiche e dei fosfolipidi può muoversi lateralmente nella membrana.
Fibre della matrice extracellulare Carboidrato (della glicoproteina) Glicoproteina Filamenti del citoscheletro Fosfolipide Colesterolo Proteine Membrana plasmatica Glicolipide Citoplasma
Molti organuli cellulari sono in comunicazione tramite
un sistema di membrane interne
Il sistema di membrane interne è un insieme di organuli circondati da membrane che lavorano
insieme nel sintetizzare, immagazzinare e distribuire i prodotti cellulari (molecole importanti quali, per
I vari organuli del sistema di membrane interne sono interconnessi strutturalmente e funzionalmente.
Nucleo
Reticolo endoplasmatico liscio Membrana nucleare Apparato di Golgi Lisososma Vacuolo Membrana plasmatica Reticolo endoplasmatico ruvido Vescicola di trasporto proveniente
Il nucleo è il centro di controllo della cellula
• Il nucleo è solitamente l’organulo più grande ed è
separato dal citoplasma tramite la membrana
nucleare.
• Il nucleo è il centro di controllo genetico
della cellula
eucariotica perché contiene il DNA che dirige tutte le attività cellulari. Nucleo Cromatina Nucleolo Poro Reticolo endoplasmatico ruvido Membrana nucleare a doppio strato
Il reticolo endoplasmatico ruvido dà origine a
membrane e proteine
Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) ha due funzioni principali:
• ampliare l’estensione del sistema di membrane;
• assemblare le proteine destinate a essere secrete
I ribosomi sulla superficie del reticolo endoplasmatico ruvido producono proteine che sono secrete dalla
cellula, inserite nelle membrane o trasportate in vescicole ad altri organuli.
Vescicola di trasporto con all’interno una glicoproteina 4 Vescicola di trasporto che si stacca Catena glucidica 3 Reticolo endoplasmatico Glicoproteina 2 Polipeptide Ribosoma 1 Figura 4.8
Il reticolo endoplasmatico liscio svolge molteplici
funzioni
Il reticolo endoplasmatico liscio (REL):
• sintetizza i lipidi (acidi
grassi, fosfolipidi, steroidi);
• demolisce le tossine e i
farmaci nelle cellule del fegato;
• immagazzina e rilascia
ioni calcio nelle cellule muscolari. Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico ruvido Involucro nucleare Ribosomi
Reticolo endoplasmatico liscio
T E M 4 5 00 0
L’apparato di Golgi rielabora, seleziona e trasporta i
prodotti cellulari
L’apparato di Golgi è composto da sacchetti appiattiti impilati uno sull’altro che ricevono e modificano i prodotti del reticolo endoplasmatico e li trasportano ad altri
organuli o sulla superficie della cellula (per essere espulsi). Apparato di Golgi T E M 1 30 0 00 Vescicola di trasporto prodotta
Lato «di uscita» dell’apparato Apparato di Golgi Lato «d’ingresso» dell’apparato di Golgi Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo Nuova vescicola in formazione
Apparato di Golgi Membrana plasmatica Sostanze nutritive Vacuolo alimentare Lisosomi Digestione Introduzione delle particelle Vescicola di trasporto (contenente enzimi idrolitici inattivi) Reticolo ruvido Il lisosoma ingloba l’organulo danneggiato
I lisosomi demoliscono le sostanze alimentari e di
rifiuto delle cellule
2 5 4 3 1 • I lisosomi svolgono diversi tipi di funzioni digestive. • I lisosomi sono costituiti da enzimi digestivi (idrolitici) chiusi in un sacchetto circondato da membrane.
Nei globuli bianchi i lisosomi distruggono i batteri nocivi che sono stati ingeriti.
Lisosoma Nucleo T E M 8 5 00
I lisosomi sono anche il centro di riciclaggio degli organuli danneggiati. T E M 4 2 50 0
Due organuli danneggiati all’interno del lisosoma
Frammento di mitocondrio
I vacuoli mantengono costante l’ambiente cellulare
Le cellule vegetali contengono un grande vacuolo
centrale che ha funzioni lisosomiali e di riserva.
Cloroplasto Vacuolo centrale Nucleo C ol or iz za ta T E M 8 7 00
Alcuni protisti hanno vacuoli contrattili che pompano all’esterno l’acqua in eccesso.
LM 6 50 Nucleo Vacuoli contrattili
I cloroplasti trasformano l’energia solare in energia
chimica
I cloroplasti, che si trovano nelle piante e in alcuni
protisti, convertono l’energia solare in energia chimica, immagazzinandola negli zuccheri.
T E M 9 75 0 Cloroplasto Stroma
Spazio tra le membrane Membrana interna ed esterna
Grano
I mitocondri convertono l’energia chimica presente
negli alimenti in energia utilizzabile dalla cellula
Mitocondrio Membrana esterna Spazio intermembrana Matrice Membrana interna Creste T E M 44 8 80
Nei mitocondri avviene la respirazione cellulare che converte l’energia chimica degli alimenti in energia chimica di una molecola di ATP
(adenosina trifosfato), la principale fonte di
energia per il lavoro cellulare.
Il citoscheletro e le strutture ad esso correlate
Lo scheletro delle cellule è costituito da microtubuli,
microfilamenti e filamenti intermedi
Il citoscheletro è costituito da una rete di fibre proteiche di sostegno. Subunità di actina Microfilamento 7 nm Subunità fibrosa 10 nm
Filamento intermedio Microtubulo
25 nm Subunità di tubulina
• I microfilamenti di actina permettono alle cellule di cambiare forma e di muoversi.
• I filamenti intermedi rinforzano la cellula e
tengono bloccati alcuni organuli.
• I microtubuli conferiscono rigidità alla cellula e
svolgono funzione di ancoraggio per gli organuli e di guida per i loro movimenti.
Le ciglia e i flagelli si muovono flettendo i microtubuli
Le ciglia e i flagelli sono appendici locomotorie di alcune cellule eucariotiche.
L M 6 0 0 C o lo riz za ta S E M 4 1 0 0
Nelle ciglia e nei flagelli, gruppi di microtubuli hanno funzione di sostegno e consentono il movimento
ondeggiante tipico di questi organuli.
Flagello Fotografie al microscopio elettronico di sezioni trasversali Flagello Corpo dorsale Corpo basale (strutturalmente identico al centriolo) T E M 2 06 5 00 T E M 2 0 6 5 00 Membrana plasmatica Braccia di dineina Braccia radiali Microtubuli centrali Coppia di microtubuli esterni
Superfici e giunzioni cellulari
Le pareti supportano le cellule e le giunzioni ne
consentono l’attività coordinata nei tessuti
• Gli eucarioti sono per la maggior parte
organismi pluricellulari, in cui le cellule si devono coordinare per costituire un unico organismo.
• Le cellule interagiscono tra di loro e con il loro
• Le cellule vegetali sono sostenute da pareti cellulari rigide fatte per la maggior parte di cellulosa.
• Tra due cellule vegetali adiacenti si trovano
numerosi canali (plasmodesmi), ovvero
giunzioni cellulari che formano un sistema di
comunicazione all’interno
dei tessuti vegetali. Pareti di due cellule
vegetali adiacenti Membrana plasmatica Citoplasma Plasmodesmi Vacuolo
Strati di una parete di cellula vegetale
• Le cellule animali sono prive di pareti cellulari rigide ma la maggior parte di esse secerne uno strato
appiccicoso di glicoproteine, la matrice
extracellulare.
• Le giunzioni occludenti uniscono le cellule tra loro formando un sottile strato a tenuta stagna.
• I desmosomi (o giunzioni di ancoraggio) tengono
unite le cellule tra loro o alla matrice extracellulare.
• Le giunzioni comunicanti sono canali che
permettono alle sostanze di fluire da cellula a cellula.
Desmosoma
Giunzione occludente
Giunzione comunicante
Matrice extracellulare Spazio fra le membrane cellulari Membrane cellulari di cellule adiacenti
Le categorie funzionali degli organuli cellulari
Gli organuli eucarioti sono suddivisi in quattro
categorie funzionali
Gli organuli eucariotici ricadono in quattro categorie funzionali:
• assemblaggio;
• demolizione;
• trasformazioni energetiche;
